鄂尔多斯地块位于青藏、华北、华南三大亚板块的交接部位，四周被断裂和断陷盆地带所围限，其西南角直接受青藏块体的NE-NEE向推挤^[1-3]；近30 a内该地块周缘地区(包括其西南角碰触的青藏块体东北缘地区)曾发生1989年大同M_S6.1、1990年景泰M_S6.2、1995年永登M_S5.8、1998年张北M_S6.2、2000年景泰M_S5.9、2013年岷县漳县M_S6.6、2015年阿左旗M_S5.8等地震；该地区以外的2008年汶川M_S8.0、2011年东日本M_W9.0大震对其构造活动也存在一定程度的影响^[4-5]，故历来是研究热点地区之一。

鄂尔多斯地块东缘、南缘、西缘及附近的青藏块体东北缘地区布设有较为密集的跨断层流动短水准场地，其观测值时序变化及各场地在空间上形成的网络，能在一定程度上获取该地区构造活动的时空动态变化。但截至目前对该资料的研究基本针对青藏块体东北缘或鄂尔多斯地块东缘的山西断陷带，以识别与地震孕育-发生有关的中短期前兆异常为主要目的^[6-9]。本文将鄂尔多斯地块周缘有跨断层场地分布的区域作为整体研究区，利用截至2016年底、约30 a的跨断层形变观测资料，借助灰色关联度综合指标提炼、年变速率与趋势累积率计算，分析其长期构造活动特性、水平与时空差异性，以及与研究区内中强以上地震、区外汶川和日本大震孕育-发生或影响的可能关系。

1 地质资料揭示的构造活动特性

地质资料^[1-3]显示，鄂尔多斯地块东缘即山西断陷带(图 1中标注1)，由六棱山北麓断裂、口泉断裂、恒山北麓断裂、系舟山断裂、霍山断裂、中条山断裂等一系列近NE-NNE向正断或右旋正断的断裂构成；地块南缘即陕西的渭河盆地(图 1中标注2)，由秦岭北麓断裂、渭河断裂、陇县-宝鸡断裂、韩城断裂、口镇-关山断裂等一系列近EW向正断或正走滑断层构成；地块西南缘为六盘山构造区(图 1中标注3)，由六盘山断裂、固关-功县断裂构成，左旋逆断较占优势，而与其西邻、属于青藏块体东北缘的海原断裂(图 1中标注5)以左旋走滑为主、垂向方向兼逆断为主；六盘山构造区西南侧为西秦岭构造区(图 1中标注6)，也属于青藏块体东北缘，与海原断裂一样，同受印度板块NE向推挤碰撞欧亚板块的动力作用影响，左旋逆断为主要活动特性；地块西北缘为贺兰山构造区(图 1中标注4)，由贺兰山东麓断裂等构成，呈正断或右旋正断特性。

2 跨断层资料介绍

在鄂尔多斯地块周缘地区布设有73处跨断层短水准流动场地，见图 1。除山西断陷带1月或2月观测一期、贺兰山构造区每年仅7月观测外，其他场地常规观测均在每年的3月、7月、11月实施(震情需要时加密)，测线长度一般数百m。场地最早建设于20世纪七、八十年代，相对连续的观测资料积累了30 a左右，但陕西南部10处场地、山西断陷带的繁峙山会场地、渭河盆地西部的邓家塬场地、西秦岭构造区3处场地，或因近几年才新建、资料积累时间过短，断层活动特性尚不明确；或因点位屡遭破坏导致资料连续性差，本文不予计算研究，故选用的场地有58处、约占总数的80%。图 1还展示了断裂分布及大致的地块边界(参考张培震等的块体划分结果^[2]，鄂尔多斯地块北界略超出图 1的上边界，其他地块远大于跨断层流动水准场地控制范围)。

3 灰色关联度、趋势累积率等指标提炼方法

鉴于场地分散、独立观测、场地条件不同，各场地观测值变化特性、量值都存在差异，无法统一对比。本文将鄂尔多斯地块东缘山西断陷带、南缘渭河盆地、西南缘六盘山构造区、西北缘贺兰山构造区、青藏块体东北缘的海原断裂和西秦岭构造区作为6个研究单元(图 1中1~6标注，每个研究单元由一至多条断裂组成)，借助归一化计算和加权合成，提炼可对比分析的灰色关联度综合指标，进而计算年变速率和趋势累积率，以反映块体边界构造活动的总体趋势与动态演化特征，度量应变积累程度或相对差异性。

3.1 灰色关联度综合指标提取方法

本方法由笔者提出，已在青藏块体北缘-东北缘^[9]和四川鲜水河断裂区^[10]得到初步应用，将其应用于鄂尔多斯地块周缘地区并加以完善。针对除贺兰山构造区外某场地跨断层测段(下盘测点相对上盘测点)的高差观测值，首先形成以3月、7月、11月为时间点的垂向活动时变曲线。计算步骤为：1)多数区域每年3、7、11月施测，个别时段或山西断陷带加密，1~4月求高差均值并以3月为时间点(以此类推，5~8月以7月、9~12月以11月为时间点)。2)每个时间点高差观测或计算均值减去第1时间点高差观测或计算均值，使首次观测为零，突出时间点间的相对变化。3)若跨断层测段不止1条，对相同时间点再求均值。对每年仅测一期的贺兰山构造区，可直接得到每年减去第1年的观测值变化。由此可获得该场地跨断层垂向活动时序变化h_t(t=1, 2, …, n; h₁=0)，曲线向下表示逆断、向上表示正断。

由于各场地观测变化量不好比较，为提炼鄂尔多斯地块周缘各研究单元的断裂活动总体趋势，需对每个时间点观测或计算值除以该场地本底活动水平，定义为时序变化序列的绝对值均值与离散度(相邻两时间点变化与起测以来变化均值之差的平方和均值、再计算平方根，稳定性越好离散度越低)之和，即场地j某时刻t(t=1, 2, …, n)无量纲的垂向变化量为：

$ {u_j}^t = \frac{{{h_t}}}{{\frac{1}{n}\sum\limits_{k = 1}^n {\left| {{h_k}} \right|} + \sqrt {\frac{1}{{n - 1}}\sum\limits_{k = 1}^{n - 1} {{{[({h_{k + 1}} - {h_k}) - \frac{1}{{n - 1}}\sum\limits_{k = 1}^{n - 1} {({h_{k + 1}} - {h_k})} ]}^2}} } }} $

(1)

由上述归一化计算获得的各场地垂向变化时序曲线具有可比性。

扣除本底水平后提炼综合指标时，各场地曲线仍不能简单地求均值合成。若增加与其他场地相似度较高的场地权重、减轻与其他场地相似度偏低的场地权重，有利于突出与研究单元内断裂活动相关的共性特征。而灰色关联分析方法是基于行为因子序列的微观或宏观几何接近，以分析和确定因子间影响程度或因子对主行为的贡献测度而进行的一种分析方法，根据因素之间发展态势的相似或相异程度来衡量因素间的关联程度^[9-11]。

设某研究单元有m₀个场地，每个场地垂向活动变化量为通过式(1)计算获得的u_j^t(t=1, 2, …, n; j=1, 2, …, m₀)。要计算其中第j个场地相对其他m₀-1个场地的灰色关联度γ_j⁰, j=1, 2, …, m₀，则{u_j^t|t=1, 2, …, n}为参考序列，{u_l^t|t=1, 2, …, n}(l=1, …, j-1, j+1, …, m₀)为比较序列，u_l^t与u_j^t的关联系数为：

$ \begin{array}{c} {\xi _l}\left( t \right) = \\ \frac{{\mathop {{\rm{min}}}\limits_l \mathop {{\rm{min}}}\limits_t \left| {{u_j}^t - {u_l}^t} \right| + \rho \mathop {{\rm{max}}}\limits_l \mathop {{\rm{max}}}\limits_t \left| {{u_j}^t - {u_l}^t} \right|}}{{\left| {{u_j}^t - {u_l}^t} \right| + \rho \mathop {{\rm{max}}}\limits_l \mathop {{\rm{max}}}\limits_t \left| {{u_j}^t - {u_l}^t} \right|}} \end{array} $

(2)

式中，分辨系数ρ=0.5，而

$ {\gamma _j}^0 = \frac{1}{{{m_0}{\rm{ - }}1}}\sum\limits_{l = 1, l \ne j}^{{m_0}} {[\frac{1}{n}\sum\limits_{t = 1}^n {{\xi _l}\left( t \right)}]} $

(3)

式(1)计算所得t时间点的垂向活动变化量为u_j^t，则该时间点综合指标定义为：

$ {\alpha ^t} = \frac{{\sum\limits_{j = 1}^{{m_0}} {\gamma _j^0{u_j}^t} }}{{\sum\limits_{j = 1}^{{m_0}} {\gamma _j^0} }} $

(4)

式中，如果各场地活动变化量起始时间点不同，取公共时间点计算。

3.2 灰色关联度综合指标的年变速率与趋势累积率计算方法

获得归一化、可对比的各研究单元灰色关联度综合指标时变曲线后，进一步计算综合指标的平均年变速率和趋势累积率。首先，为统一不同观测周期的场地(贺兰山构造区每年仅观测一期)，也为剔除或削弱可能与非构造干扰或同震变形有关、信度相对偏低的短暂尖点突跳，突出持续性较好的变化，计算每年的灰色关联度综合指标均值，获得某个研究单元或该研究单元某段的综合指标年均值序列如{β^k|k=1, 2, …, m}；再求取起测以来灰色关联度综合指标的年变速率$ \omega = \frac{1}{{m - 1}}\sum\limits_{k = 1}^{m - 1} {\left| {{\beta ^{k + 1}} - {\beta ^k}} \right|} $，来度量和比较研究单元之间的活动水平差异，进而计算综合指标时序曲线的趋势累积率$ \sigma {\rm{ = }}\left| {\sum\limits_{{\rm{k}} = 1}^{m - 1} {({\beta ^{k + 1}} - {\beta ^k})} } \right|/\sum\limits_{{\rm{k}} = 1}^{m - 1} {\left| {{\beta ^{k + 1}} - {\beta ^k}} \right|} $(与文献[6]计算思路相同，反映一种广义应变的累积强度。若正逆断趋势特性与§1的地质背景信息总体一致且σ值较大，显示趋势变化的有序性较好，应变积累的时间可能较长或强度较高^{[6, 12]})。

4 构造活动与应变积累特性

首先，将鄂尔多斯地块南缘渭河盆地14处场地分为西部(草碧、大塬、南大同、广济等4处场地)、中部(沣峪口、麻街、零口、康村、清河口等5处场地)、东部(涧峪口、马峪、石堤峪、蒲峪、王庄5处场地)，计算灰色关联度垂向综合指标，结果见表 1、表 7和图 2。分析认为：1)正断上升为主、与地质背景信息一致；西部波动幅度大(表 7显示平均年变速率为0.17/a)，近6 a还多次出现趋势转折；中-东部尤其中部变化相对平稳(平均年变速率分别为0.08/a、0.10/a)。2)1998-01渭河盆地内泾阳M_S4.8和山西断陷带北端附近张北M_S6.2地震前逆断突跳或逆断转折(山西断陷带与渭河盆地构造关联，垂向方向均显示正断特性^[1])，震后恢复正断上升；2008-05汶川M_S8.0大震前也大体如此(中部还出现正断性尖点突跳，距最近的场地约550 km)。3)2011-03东日本M_W9.0巨震(震中距大于3 000 km)后一段时间内中部上升减缓、西部趋势转折，不排除一定程度的调整影响。

其次，将鄂尔多斯地块东缘的山西断陷带10处场地分为北段(太原以北6处场地)、南段(太原以南4处场地)，计算灰色关联度垂向综合指标，结果见表 2、表 7和图 3。分析认为：1)趋势累积率较高(表 7显示0.37、0.48)，与地质背景信息一致的正断变化的有序性不仅好于渭河盆地，也是本文研究单元中最高的，反映长期应变积累特性。2)1989-10山西带北段大同M_S6.1、1998-01山西断陷带北端附近张北M_S6.2地震前正断加速。3)山西断陷带南段距汶川震区稍近，2007年前后出现过短暂的反向尖点突跳，与相邻的渭河盆地突跳变化(图 2)基本同步，不排除汶川大震孕震应力场扰动影响的可能；北段则开始趋势加速、汶川震后至今仍持续，反映长期能量积累特性，近两年趋于减缓。南段加速上升比北段晚。4)2011年日本巨震后南、北两段出现过短暂的加速或转折变化，虽不排除该次巨震影响，但时间不长、加速或转折特性也不统一。

再次，对鄂尔多斯地块西南缘的六盘山构造区9处场地分北段(甘沟窑、和尚铺、六盘山、三关口(二)、安国等5处场地)、南段(固关、刘家店、冯家山、八渡等4处场地)，对西北缘的贺兰山构造区(白石坑、小口子、三关口、大柳木高山、青铜峡等5处场地)计算灰色关联度垂向综合指标，结果见表 3、表 4、表 7和图 4。分析认为：1)六盘山构造区北段呈正断、逆断阶段性变化，2010年以来正断上升为主、变幅较大；南段逆断趋势稳定且变幅小。相邻构造区、距最近场地200~300 km的1995-07永登M_S5.8、2000-06景泰M_S5.9、2013-07岷县漳县M_S6.6地震前，2008-05汶川M_S8.0大震(距最近场地约520 km)前曾出现尖点突跳或趋势加速异常，逆断特性占多数；平均年变速率北段0.13/a，南段仅0.07/a。2)贺兰山构造区正断上升为主、与地质背景信息相符；景泰M_S5.9地震(距最近场地约192 km)后逆断转折，之后恢复正断上升；2015-04阿左旗M_S5.8地震前的2014年正断加速，2015-07正断上升减缓而2016-07转折，与汶川、岷县漳县地震前后变化形态不同，反映该地震前兆异常和震后调整-恢复迹象(距场地100~216 km)。

对西秦岭构造区13处场地分北部(西秦岭北缘断裂带口子门、四店、盘古川、柳家沟、毛集等5处场地)、南部(其余8处场地)，对海原断裂窝子滩、水泉、红岘子等6处场地计算灰色关联度垂向综合指标，结果见表 5~7和图 5。分析认为：1)西秦岭构造区逆断下降为主、与地质背景信息一致，平均年变速率0.09~0.10/a，但北部趋势累积率高达0.37，反映应变积累的时间较长或强度较高。相邻构造区的永登M_S5.8、景泰M_S6.6、汶川M_S8.0地震前(距最近场地分别约为190 km、234 km、274 km)北、南两段都出现突跳或加速、转折异常变化；构造区内岷县漳县M_S6.6震前数年逆断加速、震前短期阶段加速变化还进一步加剧，震后至今南部正断转折、北段逆断加速特征继续。2)海原断裂逆断下降的时段较长、也与地质背景信息一致，永登(距最近场地约150 km)、汶川地震震前(距最近场地约654 km)曾出现反向正断突跳或逆断加速-转折异常；平均年变速率较低，仅0.07/a，近10 a内维持平稳逆断变化趋势。

综合表 7与图 2~5，有相对连续跨断层短水准资料积累以来，平均年变速率显示垂向断裂活动较快的是渭河盆地西部、六盘山构造区北部，渭河盆地中部、海原断裂、六盘山构造区南部构造活动较慢；趋势累积率则反映山西断陷带和西秦岭构造区北部长期应变积累比较突出(0.37~0.48)。

5 与其他手段已有成果的对比分析

鄂尔多斯地块周缘地区跨断层短测线观测只有单手段水准，较密集GPS区域网观测近十几年才有，已发表文献都以数a为研究尺度^{[4, 13]}，量值上无法与本文跨断层资料对比，但山西断陷带、渭河盆地、贺兰山构造区拉张为主的特性，六盘山构造区挤压为主的特性与表 7的正断、逆断特性基本一致。2009~2013年GPS观测显示六盘山断裂趋于闭锁^[13]，表 7显示其南部近几年闭锁、北段相对活动，更为细致；海原断裂左旋走滑为主，速率较大(5.2 mm/a)，与表 7所示垂向弱变化相符。Hao等^[14]对精密水准观测1970~2014年鄂尔多斯地块及其周缘的垂直形变场进行分析，结果显示积累上升最大的区域为山西断陷带北段，其次为六盘山构造与西秦岭构造区，时间尺度虽比本文长十几年，但与表 7显示山西断陷带、西秦岭构造区北部趋势累积率较高的结果有相似之处，正断或逆断特性大体相符。

6 结语

1) 跨断层短水准观测显示的断裂活动特性总体上与地质资料一致。

2) 研究区内M_S5.8以上地震、区外汶川M_S8.0大震前多出现加速、转折或突跳异常，而东日本M_W9.0巨震对渭河盆地不排除一定程度的调整影响。

3) 近30 a左右断裂垂向活动较快的是渭河盆地西部，其次是六盘山构造区北部；渭河盆地中部、海原断裂、六盘山构造南部断裂垂向活动较慢。山西断陷带、西秦岭构造区北部长期能量积累明显；六盘山构造区至渭河盆地西部两端活动、中间相对闭锁，尤其近几年。强震中期或中长期孕育背景相对明显的地段为山西断陷带、西秦岭构造区、六盘山构造区至渭河盆地西部。